基于耦合仿生机理立式香蕉秸秆粉碎还田机研制分析研究机械制造及其自动化专业.docx
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1、摘要香蕉是世界四大水果之一,在国际鲜果市场上占有很重要的比重。在我国,香蕉主要种植在海南、云南、福建、两广等热带、亚热带地区,香蕉是一种经济作物,对当地农村的经济建设和地区发展有着十分重要的意义。香蕉果实收获后,留下大面积的香蕉树成为了农业废弃物。据研究表明,在香蕉茎秆、叶片中含有大量有利于香蕉生长有机物氮、磷、钾及微量元素,是一种天然的有机化肥源。如果在香蕉采摘完后利用农机具直接将香蕉树粉碎还田,不仅可以改善香蕉地土壤结构,增强土壤肥力,提高香蕉产量,而且可以减少种植成本,提高经济效率。目前国内香蕉种植业机械化程度较低,配套的农机具较少且处在研发优化阶段,所以当前蕉农对香蕉树的处理基本上是通
2、过人工砍伐成小段搬置于田间地头自行腐烂,但这种处理方式不仅污染蕉园种植环境,而且会引发病虫害给蕉园带来隐患,而随着香蕉种植面积的增加,香蕉秸秆废弃物处理也成了一个制约香蕉产业发展的瓶颈问题。基于此,本文结合理论分析、虚拟样机技术和正交试验三种方法,对海南大学研制的立式香蕉秸秆粉碎还田机的进行优化改进,主要研究内容为:(1)运用统计学分析与实地调查的方法,研究香蕉的生物特性及力学特性。通过分析香蕉假茎的种植方式、结构与形状,为整机参数的设计提供参考;通过分析香蕉假茎抗剪切强度的力学特性,为粉碎装置的设计提供理论基础。(2)基于仿生学原理,模仿狼爪轮廓形态,优化设计香蕉秸秆粉碎刀片的刀刃曲线;从运
3、动学仿生角度出发,在充分研究狼爪收缩运动规律的基础上,获取狼爪运动曲线方程,将其应用在秸秆粉碎刀刀尖点运动轨迹设计上。(3)田间试验。制定试验方法,以香蕉秸秆粉碎率、秸秆覆盖率和生产率等试验指标,利用数据处理软件SPSS,结合正交试验方案,通过极差和方差分析方法,确定机具结构参数与运动参数的最优组合、分析各因素的交互影响。研究得到机具的重要参数的最优组合为拖拉机前进速度为3mk,粉碎刀辐转速为1650rmin,秸秆粉碎刀厚度为12mm进行田间试验,对应的试验指标分别为:秸秆粉碎率为90.6%,覆盖率为90.5%。关键词:香蕉秸秆;粉碎还出;形态仿生;运动仿生;耦合仿生;正交试验Abstract
4、Bananaisoneoftheworldsfourmajorfruits,andithasaveryimportantproportionintheinternationalfreshfruitmarket.InChina,bananasaremainlygrownintropicalandsubtropicalregionssuchasHainan,Yunnan,Fujian,andGuangdong.Bananasareaneconomiccropandareofgreatsignificancetotheeconomicconstructionandregionaldevelopmen
5、toflocalruralareas.Afterthebananafruitisharvested,alargeareaofbananatreesisleftasagriculturalwaste.Accordingtoresearch,bananastalksandleavescontainalargenumberoforganicnitrogen,phosphorus,potassiumandtraceelementswhicharebeneficialtobananagrowth.Itisanaturalsourceoforganicfertilizer.Ifthebananatreei
6、sdirectlycrushedandreturnedtothefieldafterthebananaisharvested,itcannotonlyimprovethesoilstructureofthebananaland,enhancethesoilfertility,increasethebananayield,butalsoreducetheplantingcostandimprovetheeconomicefficiency.Atpresent,thedomesticbananaplantingindustryhasalowdegreeofmechanization,andthes
7、upportingagriculturalmachineryislessandisinthestageofresearchanddevelopmentoptimization.Therefore,thecurrentbananafarmers,treatmentofbananatreesisbasicallybyself-deforestationintosmallsectionsandplacedonthefieldstorotthemselves.Thistreatmentnotonlypollutestheplantingenvironmentofthebananaplantation,
8、butalsocausespestsanddiseasestobringhiddendangerstothebananaplantation.Withtheincreaseofbananaplantingarea,thetreatmentofbananastrawwastehasbecomeabottleneckrestrictingthedevelopmentofthebananaindustry.Basedonthis,thispapercombinestheoreticalanalysis,virtualprototypingtechnologyandorthogonalexperime
9、nttooptimizeandimprovetheverticalbananastrawcrushingandreturningmachinedevelopedbyHainanUniversity.Themainresearchcontentsareasfollows:(1) Usingthemethodsofstatisticalanalysisandfieldinvestigationtostudythebiologicalandmechanicalpropertiesofbananas.Byanalyzingtheplantingpattern,structureandshapeofba
10、nanapseudostem,itprovidesreferenceforthedesignofthewholemachineparameters.Byanalyzingthemechanicalpropertiesofbananapseudostemshearstrength,itprovidesatheoreticalbasisforthedesignofthecrushingdevice.(2) Basedontheprincipleofbionics,imitatethecontourshapeofthewolfclaw,optimizethedesignofthebladecurve
11、ofthebananastrawcrushingblade;fromtheperspectiveofkinematicsbionics,onthebasisoffullystudyingthelawofthecontractionmovementofthewolfclaw,obtaintheequationofthecurveofthewolfclaw.ItisappliedtothetHijectorydesignofthestrawpulverizingknife.(3) Fieldtrials.Thetestmethodwasdevelopedtodeterminetheoptimalc
12、ombinationofstructuralparametersandmotionparametersoftheimplementsbyusingthedataprocessingsoftwareSPSSandtheorthogonaltestschemebyusingthedataprocessingsoftwareSPSSandtheorthogonaltestmethodtodeterminetheoptimalcombinationofthestructuralparametersoftheimplementandthemotionparameters.Analyzetheintera
13、ctionofvariousfactors.Theoptimalcombinationofimportantparametersofthemachinewasobtained.Theforwardspeedofthetractorwas3ms,thespeedofthecrushingkniferollerwas1650rmin,andthethicknessofthestrawcrushingknifewas12mm.Thecorrespondingtestindexeswere:strawcrushingrateAt90.6%,thecoveragerateis90.5%.目录一、绪论11
14、.1 研究背景11.2 研究的目的及意义21.3 研究现状3131保护性耕种的现发展现状31.3.2 国外保护性耕作发展现状31.3.3 国内保护性耕作发展现状41.4 国内外秸秆粉碎还田机51.4.2 秸秆粉碎还田机的分类51.4.3 国外粉碎还田机研究现状61.4.4 国内秸秆粉碎还田机现状61.4.5 香蕉秸秆粉碎还田机研究现状71.4.6 仿生技术在农业机械方面的应用81.5 课题研究的意义91.6 课题研究的内容、方法及技术路线91.6.2 课题来源91.6.3 课题研究的内容91.6.4 课题的研究方法与技术路线10二、香蕉秸秆的生物特性及物理特性研究132.1 香蕉茎秆的结构特点
15、132.2 .香蕉秸秆的生物特性及利用方式142.3.2香蕉秸秆拉伸试验15233香蕉假茎剪切应力的测定162.4本章小结17三、整机及主要参数设计183.1 技术方案的确定183.2 整机结构设计183.3 还田机作业宽度确定203.4 动力传递方式213.5 传动比和转速213.6 粉碎刀盘动力的计算与校核213.7 本章小结22四、秸秆粉碎刀构型仿生设计234.1 秸秆粉碎刀研究现状234.2 仿生秸秆粉碎刀的设计254.2.1 仿生原型的选取254.2.2 仿生拟合曲线获取254.2.3 狼爪轮廓曲线拟合函数264.2.4 仿生秸秆粉碎刀的设计与加工264.2.5 秸秆粉碎刀轴的设计2
16、94.3 本章小结30五、基于狼爪运动仿生刀尖点运动轨迹设计315.1 运动仿生研究依据分析311.1.1 运动仿生模型建立311.1.2 运动仿生模型运动学分析315.3 机具运动参数仿生设计325.3.1 刀片运动的速度和加速方程325.4 切割节距335.5 粉碎装置的喂入及排出量335.6 防堵性能参数345.7 本章小结35六、田间试验366.1 试验条件366.1.1 试验地土壤含水率测定376.1.2 香蕉假茎含水率测定386.2 试验指标测定396.2.1 还田机工作效率396.2.2 香蕉秸秆粉碎合格率396.2.3 秸秆覆盖率406.2.4 刀轴所受扭矩和功耗406.3 试
17、验设计406.4 试验结果与分析426.4.1 SPSS软件介绍426.4.2 正交试验426.4.3 试验结果极差分析446.4.4 试验结果方差分析45七、结论与展望477.1 研究结论477.2 创新点477.3 存在的不足48参考文献49硕士学位攻读期间学术成果与参与项目错误!未定义书签。致谢错误!未定义书签。一、绪论1.1 研究背景香蕉是一种生长在热带地区的水果,因其生长周期较短、产量较高,在我国南方地区,如两广、云南、海南及福建地区广泛种植,是我热带地区一种重要的经济作物(朱晓闯,张喜瑞等,甘声豹,2015)o具统计,2016年,香蕉收获面积为490万吨,全国香蕉种植面积为570万
18、亩,香蕉年产量为893万亩,年产值高达246.7亿元。海南位于我国华南地区,全面暖热,其后温和,为香蕉的生长提供了便利的条件。海南是我国香蕉种植大省之一,在2016年,海南香蕉收获面积为38万亩,种植面积为48万亩,香蕉产量为125.62万吨,产值达到了125.62亿元(海南日报,2017)o因此,香蕉对于促进我国热点地区经济发展,增加蕉农经济收入有十分重要的意义。香蕉是一种茎秆巨大的芭蕉科草本植物,主要由蕉叶、茎秆、球茎以及根系组成,成熟的香蕉植株可以长大36米,其叶片呈椭圆状,长约33.5m,宽约65m,位于茎秆顶端成簇生长,如图1所示。香蕉秸秆是香蕉植株的重要组成部分,其横截面积的半径一
19、般在1020cm茎秆中含水率高,纤维含量主要集中在外层,秸秆的强度由外到内逐渐减少,所以秸秆在横截面积上很容易被折断(刘欢国等2012;甘声豹等,2015)。图1香蕉树香蕉果实收获后,蕉园中留下的香蕉植株没经过合理的处理成为农业废弃物,由于我国在香蕉种植业机械化水平低,配套农机具比较欠缺,大部分蕉农选择处理香蕉植株的方式主要是人工将其砍伐成小段置于蕉园地头腐烂,少部分风干焚烧,产生大量有害气体,污染环境,同时也会造成香蕉茎秆中大量有机物白白浪费,(李粤,2016)。据不完全统计,秸秆中的有机质含量约占到了其总量的15%,以目前我国60000万吨/年的秸秆生产量来计算,仅秸秆中含有的氮、磷、钾总
20、量之和就达到了1070多万吨/年,超过了我国现有化肥施用总量的四分之一(黄慧德等,2011)o若蕉园每亩种植2600香蕉,每株香蕉茎秆湿重已35kgJ计算,仅2016年我国香蕉秸秆产量就高达3800万吨,如此大量的香蕉秸秆如果不进行妥善的处理,不仅会污染蕉园环境,影响蕉园更新,而且会滋生虫害,危害来年香蕉成长,增加种植成本。因此,香蕉秸秆废弃物的处理和利用是目前香蕉种植业上的一道难题。我国极其重视对农作物秸秆的利用和处理,尤其是小麦,玉米,水稻等的秸秆处理和利用,目前粮食作物秸秆机械化处理已经达到了很高的水平,大部分的粮食作物秸秆直接被粉碎还田,小部分的农作物秸秆用于固体成型制成燃料,或者用纤
21、维提取机将茎秆中的纤维提取出来作为工业原料等等,但对香蕉秸秆的利用率远远低于粮食作物的秸秆利用率,所以提高香蕉秸秆处理的机械化水平,对保护蕉园环境,提高蕉农收入有重要影响。1.2 研究的目的及意义近年来,随着经济的发展,人们由于过度开垦土地,砍伐森林和不合理的土壤耕作方式,使我国干旱地区降水量急剧减少的同时蒸发量也随之增高,引起土质沙漠化和水土流失,降低了土壤肥力,从而造成作物产量减少(李宝筏等,2002)。为了保护土地耕种环境,我们必须擦弃以往的耕种方式,大力研发和发展新型保护性耕种方式来保护土地的耕种环境,改善土壤结构,防止营养物质流失。保护性耕作的关键环节就是秸秆粉碎还田技术(刘晓亮,2
22、012),农作物秸秆经还田机粉碎后覆盖在土地表面上,可以减少土壤水分和肥力的流失,同时被粉碎的秸秆由于腐烂,秸秆中的有机物溶于土壤之中,增加了土壤中的有机质,改善土壤物理结构,达到提高作物产量的效果。香蕉秸秆废弃物主要包括在地表上的假茎,蕉叶和地表下等根茬两部分,在这些废弃秸秆中含有大量的有机质,以及氮、磷、钾等香蕉生长所需要的营养物质,是优质的生物肥料,通过还田机将其推倒粉碎还田,被粉碎的香蕉假茎相对于粉碎前极大的加快了假茎的腐烂速度,降低了蕉园中病虫害的滋生率,同时秸秆中的有机物也能溶于土壤之中,增强土壤肥力,改善土壤结构,提高香蕉的产量,同时也降低蕉农在种植过程的成本,增加将农的经济收入
23、。因为香蕉秸秆的生物特性不同于其它三大粮食作物,香蕉秸秆中含水率高,纤维含量高,导致现有常规秸秆粉碎还田机并不适合香蕉秸秆的粉碎还田,因此,研制一种针对香蕉假茎的特性的秸秆粉碎还田机来进行对香蕉假茎的粉碎工作。1.3 研究现状1.3.1 保护性耕种的发展现状保护性耕作起源于美国,其主张在可持续发展的基础上保护耕种环境,降低污染(杨忠国等,2016),不仅可以减少劳动量,节约时间和经济成本,还能增加土壤营养物质含量,增强土壤的可耕作性;锁住土壤的水分,减少土壤侵蚀,提高水分利用率,从而达到增产增收,保护生态环境的目的。我国从2015年开始,连续8年将保护性工作技术写入国家一号文件,大力研究和实施
24、保护性耕作模式来保护耕地、发展可持续性农业,已成为现代农业发展的方向(佟霞等,2010)。国内外对保护性耕作的定义说法不一,外国学者以秸秆根茬粉碎后地表秸秆残茬覆盖量的多少为衡量标准(CTlC,2002),一般认为覆盖率大于30%的为保护性耕作,覆盖率在15%30%的成为少耕,不属于保护性耕作(张海林等,2005;秦红灵,2007)。1.3.2 国外保护性耕作发展现状国外的保护性耕作发展比国内要早,其中北美洲、南美洲和澳洲的保护性耕地面积约是欧洲保护性耕作面积的4倍左右,美国、加拿大、澳大利亚等国家的保护性耕地面积约占总耕地面积的60%以上,而欧洲国家大约占15%,亚洲和非洲等国家相对更少(高
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